Um forno de soleira móvel é um grande sistema térmico. Gradientes de temperatura são inevitáveis, mas podem ser controlados. O Levantamento de Uniformidade de Temperatura (TUS) é o teste que comprova a eficácia desse controle.
A MONTE INTELLIGENCE realiza testes de TUS como parte do comissionamento de fornos e recomenda a realização de novos testes periodicamente ao longo da vida útil do forno. Este artigo explica os requisitos de TUS de acordo com a norma AMS 2750F, a norma mais amplamente referenciada para equipamentos de processamento térmico nas indústrias aeroespacial, automotiva e de tratamento térmico em geral.
A norma AMS 2750F classifica os fornos de acordo com a tolerância de uniformidade de temperatura. A Classe 1 exige uniformidade de ±3°C — a tolerância mais rigorosa, utilizada para componentes aeroespaciais críticos, como discos de turbina e peças forjadas estruturais. A Classe 2 exige ±6°C — o padrão para a maioria dos tratamentos térmicos aeroespaciais. A Classe 3 exige ±8°C. A Classe 4 exige ±10°C. A Classe 5 exige ±14°C. A Classe 6 exige ±28°C — a tolerância mais ampla, utilizada para alívio de tensões e aplicações não críticas.
Para um forno de soleira móvel, atingir a Classe 2 (±6°C) é uma meta exigente, mas alcançável. A Classe 1 (±3°C) é extremamente difícil para um forno desse tipo devido à escala física envolvida — uma câmara de forno de 10 metros de comprimento apresenta gradientes de temperatura inerentes, resultantes do posicionamento dos queimadores, dos padrões de fluxo dos gases de combustão e da perda de calor pela porta. A Classe 1 de TUS em um forno de soleira móvel normalmente requer elementos de aquecimento elétricos com controle de zona muito preciso, em vez de queimadores a gás.
O procedimento TUS, conforme a norma AMS 2750F, exige a instalação de uma matriz de termopares em toda a zona de trabalho do forno. A zona de trabalho é o volume no qual a carga deve ser colocada para receber o tratamento térmico especificado — excluindo áreas próximas às paredes, porta e parede traseira, onde a temperatura tende a ser menos uniforme. Para um forno de soleira móvel, a zona de trabalho é tipicamente definida como o volume que está a pelo menos 300 mm das paredes, teto e porta, e a pelo menos 150 mm da superfície da soleira.
O número de termopares TUS necessários depende do volume da zona de trabalho. Para volumes de até 0,085 metros cúbicos (3 pés cúbicos), são necessários 9 termopares — um em cada canto de uma grade retangular, mais um no centro. Para volumes entre 0,085 e 6,4 metros cúbicos, o número aumenta para uma grade 4x4x4 ou 15 a 40 termopares, dependendo da proporção. Para um forno de soleira móvel de grande porte com uma zona de trabalho de 30 a 50 metros cúbicos, a norma exige uma grade com termopares suficientes para que dois pontos de medição adjacentes não estejam a mais de 0,6 metros de distância.
O conjunto de termopares é montado em uma estrutura de teste — uma estrutura leve, geralmente feita de tubos de aço inoxidável, que posiciona os termopares em seus locais especificados sem afetar significativamente o fluxo de ar ou a transferência de calor no forno. A estrutura de teste é colocada sobre o vagão de teste, e o vagão é movido para dentro do forno para a realização da medição.
O levantamento é realizado nas temperaturas mínima e máxima de operação do forno e, normalmente, em uma ou mais temperaturas intermediárias também. Para um forno com classificação de 500-1100 °C, o levantamento seria realizado a 500 °C, 800 °C e 1100 °C — três ciclos completos de levantamento. Em cada temperatura, assim que o forno se estabiliza (todos os termopares de levantamento dentro de ±3 °C do ponto de ajuste por 30 minutos), os dados são coletados por um mínimo de 30 minutos.
O critério de aceitação é que todos os termopares da medição devem permanecer dentro da faixa de tolerância de uniformidade especificada durante todo o período de coleta de dados. Se algum termopar apresentar desvio para fora da tolerância, a medição falha naquela temperatura. Medições com falha exigem o ajuste dos controles do forno — normalmente os offsets de temperatura da zona no controlador — e a realização de novos testes.
O ajuste do offset de temperatura por zona é a principal ferramenta para melhorar a uniformidade. Se o TUS (Teste de Uniformidade Térmica) mostrar que a parte frontal do forno (próxima à porta) opera 8 °C abaixo do ponto de ajuste, enquanto a parte traseira opera no ponto de ajuste, o controlador da zona frontal pode ser programado com um offset de +8 °C. Após o ajuste, o TUS é executado novamente para verificar a melhoria. A maioria dos fornos pode atingir a uniformidade Classe 2 com o ajuste adequado do offset de zona, mesmo que a avaliação inicial mostre ±10 °C ou pior.
O intervalo de inspeção depende da classe do forno e da criticidade do trabalho. Para fornos de Classe 2 que processam componentes aeroespaciais, a Inspeção de Segurança do Forno (TUS) deve ser repetida a cada 6 meses, conforme a norma AMS 2750F. Para fornos de Classe 4 que realizam tratamento térmico comercial, a inspeção anual é o padrão. Qualquer modificação importante no forno — substituição do queimador, atualização do sistema de controle, revestimento refratário — exige uma nova inspeção de qualificação.
A relação entre TUS (Teste de Ultrassom Térmico) e SAT (Teste de Precisão do Sistema) é frequentemente confundida. O TUS mede a distribuição de temperatura em toda a zona de trabalho. O SAT mede a precisão dos termopares de controle e registro do forno em relação a uma referência calibrada. Ambos os testes são necessários para a conformidade com a norma AMS 2750, mas têm propósitos diferentes. Um forno pode ser aprovado no SAT (o termopar de controle apresenta leitura precisa), mas reprovar no TUS (algumas partes da zona de trabalho estão muito quentes ou muito frias em relação ao ponto de controle).
A documentação é o produto final de um Teste de Uniformidade de Temperatura (TUS). O relatório de teste deve incluir a identificação do forno, a data do teste, as temperaturas de teste, um diagrama mostrando a localização dos termopares, os dados brutos de temperatura em todos os termopares durante todo o período de coleta de dados, a uniformidade de temperatura calculada e uma determinação de aprovação/reprovação. Este relatório passa a fazer parte do registro de qualidade do forno e é revisado durante as auditorias do cliente e a acreditação NADCAP.
A MONTE INTELLIGENCE inclui a inspeção inicial de termopares (TUS) como parte do comissionamento do forno e pode fornecer serviços periódicos de reavaliação. Também fornecemos o hardware de montagem de termopares, sistemas de aquisição de dados e software de geração de relatórios.
Para serviços TUS ou suporte à comissionamento de fornos, entre em contato com helenxu@cnlymonte.com.
